JP2019054218A - ヒートシンク - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れたヒートシンクの提供。【解決手段】面状の底部と前記底部に設けられた複数のフィン芯部とを備えた下部金属部材と、前記下部金属部材の前記フィン芯部に対して所定間隔で対向配置された上部金属部材と、前記下部金属部材と前記上部金属部材との間に形成された内部空間と、前記内部空間内に配置されたウィックと、前記内部空間に封入された作動媒体とを有するヒートシンク。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートシンクに関する。

近年、半導体素子等の発熱素子を用いた様々な電子機器において、高性能化や小型化が進み、それに伴い、電子機器の発熱密度が増大している。一般に、所定の温度を超えると、電子機器内の半導体素子等の各種素子、電池等は、その性能の維持が困難になるだけではなく、場合によっては、破損することもあり得る。従って、適切な温度管理が必要であり、発熱素子で生じた熱を効率的に放出し、冷却する技術が求められている。

半導体素子等の発熱素子を冷却する方法として、ヒートシンクが用いられている。ヒートシンクは、熱伝導性の高い材料で形成されており、大きな表面積を有する。ヒートシンクを半導体素子等の発熱素子に熱的に接続することにより、発熱素子で生じた熱を効率的に消散することができる。

このようなヒートシンクとしては、例えば特許文献１に記載のように、回路基板上の半導体回路素子に圧着されるベース部と、このベース部から突出する放熱フィンとを有して成るヒートシンクが知られている。

国際公開第２０１１／１５８７５６号

特許文献１に記載のようなヒートシンクは、ベース部において吸収した熱を、放熱フィンに移動させ、大きな表面積を有する放熱フィンから熱を放出することにより、放熱を行っている。しかしながら、上記の熱の移動は、ヒートシンクの材料の熱伝導率に依存したものであり、次第に高まる放熱性向上の要求を満たすには十分であるとは言えない。

従って、本発明の目的は、放熱性に優れたヒートシンクを提供することにある。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、面状の底部と該底部に設けられた複数の放熱フィンとを備えたヒートシンクにおいて、これらの表面にベーパーチャンバーとして機能し得る部分を形成することにより、ヒートシンクの伝熱速度を高めて、放熱性を向上させることができることを見出し、本発明に至った。

本発明の第１の要旨によれば、
面状の底部と前記底部に設けられた複数のフィン芯部とを備えた下部金属部材と、
前記下部金属部材の前記フィン芯部に対して所定間隔で対向配置された上部金属部材と、
前記下部金属部材と前記上部金属部材との間に形成された内部空間と、
前記内部空間内に配置されたウィックと、
前記内部空間に封入された作動媒体と、
を有するヒートシンクが提供される。

本発明の第２の要旨によれば、
配線板と、
前記配線板の一方主面に実装された半導体素子と、
前記半導体素子の天面に熱的に接続された本発明のヒートシンクと、
を備える、ヒートシンク付き半導体素子が提供される。

本発明によれば、面状の底部と該底部に設けられた複数のフィン芯部とを備えた下部金属部材上に、該下部金属部材の表面に対向するように上部金属部材を設け、その間に内部空間を形成し、かかる内部空間をベーパーチャンバーとして機能させることにより、放熱性の優れたヒートシンクを提供することができる。

図１は、本発明の一の実施形態におけるヒートシンク１ａの斜視図である。 図２は、図１に示すヒートシンク１ａのＡ−Ａ断面図である。 図３は、ヒートシンク１ａの放熱フィンおよびその周辺部の断面図である。 図４は、本発明の別の実施形態におけるヒートシンク１ｂの斜視図である。 図５は、ヒートシンク１ｂの放熱フィンおよびその周辺部の断面図である。 図６は、本発明の別の実施形態におけるヒートシンク１ｃの断面図である。 図７は、ヒートシンク１ｃの放熱フィンおよびその周辺部の断面図である。 図８は、本発明の別の実施形態におけるヒートシンク１ｄの断面図である。 図９は、本発明のヒートシンク付き半導体素子の断面図である。

以下、本発明のヒートシンクについて詳細に説明する。

（実施形態１）
本実施形態のヒートシンク１ａの斜視図を図１に、断面図を図２に、ヒートシンク１ａの放熱フィン３およびその周辺部の断面図を図３に模式的に示す。

図１および図２に示されるように、本実施形態のヒートシンク１ａは、面状のベース部２とベース部２に立設した放熱フィン３を有して成る。ヒートシンク１ａは、その表面にベーパーチャンバー機能を有する。具体的には、図１、図２および図３に示されるように、ヒートシンク１ａは、面状の底部４と該底部４に設けられた複数のフィン芯部５とを備えた下部金属部材６と、該下部金属部材６の底部４およびフィン芯部５に対して所定間隔で対向配置された上部金属部材７とを有する。即ち、該上部金属部材７は、下部金属部材６の表面に沿って配置されている。上記上部金属部材７と下部金属部材６は、その端部において、接合され、封止されている。これにより、上記の下部金属部材６と上部金属部材７との間には、内部空間８が形成されている。該空間は、下部金属部材６の底部４と上部金属部材７との間、および、下部金属部材６のフィン芯部５と上部金属部材７との間のいずれにも形成されている。該内部空間８内には、ウィック９、および柱１０、さらに凸部１１が形成されている。具体的には、上部金属部材７上に柱１０が配置され、フィン芯部５上に凸部１１が配置されている。柱１０と凸部１１は、互いに対向する方向（即ち、頂部が向き合う方向）に設けられており、複数の柱１０と複数の凸部１１に挟まれた状態にウィック９が配置されている。ウィック９、柱１０、および凸部１１は、内部空間８のほぼ全体にわたって設けられている。該内部空間８内には、作動媒体が封入されている。上記の構成を有することにより、内部空間８は、ベーパーチャンバーとして機能する。

上記のように、本発明のヒートシンクは、その表面にベーパーチャンバー機能を有する。このベーパーチャンバーにより、発熱素子から底部４に伝わった熱が、ヒートシンクの表面全体に短時間で広がり、ヒートシンク表面全体から外部に放出される。従って、本発明のヒートシンクは、非常に優れた放熱性を有する。

上記下部金属部材６は、面状の底部４と該底部４に設けられた複数のフィン芯部５とを有して成る。

上記底部４は、発熱素子に熱的に接続され、発熱素子で生じた熱を受け取る部分に相当する。

上記底部４は、面状である。ここに、「面状」とは、板状およびシート状を包含し、高さ（厚み）に対して長さおよび幅が相当に大きい形状、例えば長さおよび幅が、厚みの１０倍以上、好ましくは１００倍以上である形状を意味する。

本実施形態のヒートシンク１ａにおいて、上記フィン芯部５は、上記底部４から立設されている。フィン芯部５は板状であり、複数設けられ、各フィン芯部は互いに平行に配置されている。

上記下部金属部材６を構成する材料は、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄、またはそれらを主成分とする合金等であり、好ましくは銅またはアルミニウムであり、特に好ましくは銅であり得る。

上記上部金属部材７は、上記下部金属部材６の底部４およびフィン芯部５に対して、所定の間隔で、対向して配置されている。即ち、上部金属部材７は、下部金属部材６の表面から所定の間隔を保持した状態で、下部金属部材６の表面を覆うように形成されている。このように、下部金属部材６と上部金属部材７が、所定の間隔で対向して配置されることにより、その間に空間が形成される。かかる空間を封止し、密閉された内部空間８を得るために、下部金属部材６と上部金属部材７は、端部において接合されている。

上記下部金属部材６と上部金属部材７の間隔は、特に限定されないが、好ましくは５０μｍ以上５００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以上４００μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以上２００μｍ以下、例えば１２５μｍ以上１５０μｍ以下である。

上記上部金属部材７を構成する材料は、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄、またはそれらを主成分とする合金等であり、好ましくは銅またはアルミニウムであり、特に好ましくは銅であり得る。下部金属部材６および上部金属部材７を構成する材料は、同じであっても、異なっていてもよいが、好ましくは同じである。

上記上部金属部材７の厚さは、特に限定されないが、好ましくは１０μｍ以上２００μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以上１００μｍ以下、例えば好ましくは４０μｍ以上６０μｍ以下であり得る。

上記柱１０は、下部金属部材６と上部金属部材７間の距離が所定の距離となるように、下部金属部材６と上部金属部材７を内側から支持している。柱１０を内部空間に設置することにより、内部空間内が減圧された場合、あるいは外部からの外圧が加えられた場合等に内部空間が変形することを抑制することができる。

上記柱１０の一部は、フィン芯部５の側面位置において、上部金属部材７からウィック９までの間を、底部４と平行な方向に延伸するように設けられている。そして、この柱１０はウィック９と接している。また上記柱１０の別の一部は、フィン芯部５の上部（底部４と反対側）において、上部金属部材７からウィック９までの間を、底部４と垂直な方向に延伸するように設けられている。そして、この柱１０もウィック９と接している。

上記柱１０を形成する材料は、特に限定されないが、例えば金属であり、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄、またはそれらを主成分とする合金等であり、特に好ましくは銅であり得る。好ましい態様において、柱を形成する材料は、第１シートおよび第２シートのいずれかまたは両方と同じ材料である。

上記柱１０の高さは、所望の下部金属部材６と上部金属部材７間の距離に応じて適宜設定することができ、好ましくは５０μｍ以上５００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以上４００μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以上２００μｍ以下、例えば１２５μｍ以上１５０μｍ以下である。

上記柱１０の形状は、特に限定されないが、円柱形状、角柱形状、円錐台形状、角錐台形状等であり得る。

上記柱１０の太さは、内部空間の変形を抑制できる強度を与えるものであれば特に限定されないが、例えば柱の高さ方向に垂直な断面の円相当径は、１００μｍ以上２０００μｍ以下、好ましくは３００μｍ以上１０００μｍ以下であり得る。上記柱の円相当径を大きくすることにより、内部空間の変形をより抑制することができる。また、上記柱の円相当径を小さくすることにより、作動媒体の蒸気が移動するための空間をより広く確保することができる。

上記柱１０の配置は、特に限定されないが、好ましくは均等に、例えば柱間の距離が一定となるように格子点状に配置される。柱を均等に配置することにより、ヒートシンク全体にわたって均一な内部空間の強度を確保することができる。

上記柱１０の数および間隔は、特に限定されないが、内部空間を規定する一の主面の面積１ｍｍ^２あたり、好ましくは０．１２５本以上０．５本以下、より好ましくは０．２本以上０．３本以下であり得る。上記柱の数を多くすることにより、内部空間の変形をより抑制することができる。また、上記柱の数をより少なくすることにより、作動媒体の蒸気が移動するための空間をより広く確保することができる。

上記柱１０は、下部金属部材６または上部金属部材７と一体に形成されていてもよく、また、下部金属部材６または上部金属部材７と別個に製造し、その後、所定の箇所に固定してもよい。

上記凸部１１の高さは、特に限定されないが、好ましくは１μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは５μｍ以上５０μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上３０μｍ以下であり得る。凸部の高さをより高くすると、作動媒体の保持量をより多くすることができる。また、凸部の高さをより低くすることにより、作動媒体の蒸気が移動するための空間をより広く確保することができる。従って、凸部の高さを調整することにより、ヒートシンクの熱輸送能を調整することができる。

上記凸部１１間の距離は、特に限定されないが、好ましくは１μｍ以上５００μｍ以下、より好ましくは５μｍ以上３００μｍ以下、さらに好ましくは１５μｍ以上１５０μｍ以下であり得る。凸部間の距離を小さくすることにより、より毛細管力を大きくすることができる。また、凸部間の距離を大きくすることにより、透過率をより高くすることができる。

上記凸部１１の形状は、特に限定されないが、円柱形状、角柱形状、円錐台形状、角錐台形状等であり得る。また、上記凸部１１の形状は、壁状であってもよく、即ち、隣接する凸部の間に溝が形成されるような形状であってもよい。

上記凸部１１の一部は、フィン芯部５の側面位置において、下部金属部材６からウィック９までの間を、底部４と平行な方向に延伸するように設けられている。そして、この凸部１１はウィック９と接している。

一の態様において、上記凸部１１の高さは、上記柱１０の高さよりも小さい。

一の態様において、上記柱１０の高さは、上記凸部１１の高さの、好ましくは１．５倍以上１００倍以下、より好ましくは２倍以上５０倍以下、さらに好ましくは３倍以上２０倍以下、さらにより好ましくは３倍以上１０倍以下であり得る。

一の態様において、上記凸部１１の密度は、上記柱１０の密度よりも大きい。即ち、内部空間を規定する一の主面における面積あたりの凸部の数は、同面積あたりの柱の数よりも多い。

本実施形態のヒートシンク１ａにおいて、柱１０は上部金属部材７側に、凸部１１は下部金属部材６側に形成されているが、本発明はこれに限定されず、柱１０が下部金属部材６側に、凸部１１が上部金属部材７側に形成されていてもよい。

尚、本発明のヒートシンクにおいて、上記凸部１１は必須の構成ではなく、存在してなくてもよい。また、本発明のヒートシンクにおいて、柱１０は必須の構成ではなく、存在してなくてもよい。

上記ウィック９は、毛細管力により作動媒体を移動させることができる構造を有するものであれば特に限定されない。作動媒体を移動させる毛細管力を発揮する毛細管構造は、特に限定されず、従来のベーパーチャンバーにおいて用いられている公知の構造であってもよい。例えば、上記毛細管構造は、細孔、溝、突起などの凹凸を有する微細構造、例えば、繊維構造、溝構造、網目構造等が挙げられる。

上記ウィック９の厚みは、特に限定されないが、例えば５μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上８０μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以上５０μｍ以下であり得る。

上記ウィック９の大きさおよび形状は、特に限定されないが、例えば、内部空間の内部において蒸発部から凝縮部まで連続して設置できる大きさおよび形状を有することが好ましい。

図２において、ウィック９は、一の独立した部材であるが、内部空間と一体に形成されていてもよい。例えば、図２に示したヒートシンクにおいてウィック９を設けずに、内部空間の壁面に形成された凸部１１をウィックとして用いることができる。

一の態様において、ウィックは、個別に設けたメッシュシートなどのウィック部材と、内部空間の壁面に形成された凸部の両方であってもよいし、どちらか一方のみでもよい。

上記作動媒体は、内部空間内の環境下において気−液の相変化を生じ得るものであれば特に限定されず、例えば水、アルコール類、代替フロン等を用いることができる。一の態様において、作動媒体は水性化合物であり、好ましくは水である。

（実施形態２）
本実施形態のヒートシンク１ｂの斜視図を図４に示す。

図４に示されるように、本実施形態のヒートシンク１ｂは、放熱フィン３が、柱状に形成されている点でヒートシンク１ａと異なる。上記放熱フィン３が柱状であるので、下部金属部材６のフィン芯部５も同様に柱状に形成される。他の部分の構成は、上記ヒートシンク１ａと同様であり得る。

上記のように放熱フィンを柱状とすることにより、放熱フィンの表面積をより大きくすることができ、放熱効果を向上させることができる。

（実施形態３）
本実施形態のヒートシンク１ｃの断面図を図５に、その放熱フィンおよびその周辺部の断面図を図６に示す。

図５および図６に示されるように、本実施形態のヒートシンク１ｃは、内部空間８が、フィン芯部毎に形成されている。他の部分の構成は、上記ヒートシンク１ａと同様であり得る。

上記のように内部空間８をフィン芯部毎に形成することにより、下部金属部材６と上部金属部材７の接合箇所が増加するので、上部金属部材７の位置の固定が容易になり、内部空間８の変形等を抑制することができる。即ち、ベーパーチャンバー機能を安定して発揮することができる。

（実施形態４）
本実施形態のヒートシンク１ｄの断面図を図７に、その放熱フィンおよびその周辺部の断面図を図８に示す。
図７および図８に示されるように、本実施形態のヒートシンク１ｄの下部金属部材６の底部４はベーパーチャンバーである。即ち、下部金属部材６の底部４は、内部空間を有する面状の筐体と、該内部空間内に配置されたウィック１２と、該内部空間１３内に封入された作動媒体とを有して成るベーパーチャンバーであり、該筐体の一の主面に立設されたフィン芯部５を有する。また、下部金属部材６の底部４の内部空間１３内には、柱１４および凸部１５が形成されている。上記ヒートシンク１ｄは、上記実施形態１のヒートシンク１ａと同様に、下部金属部材６に対して所定間隔で対向配置された上部金属部材７を有し、下部金属部材６と上部金属部材７との間に、内部空間８が形成されている。該内部空間８内には、ウィック９、および柱１０、さらに凸部１１が形成され、作動媒体が封入されている。

上記のように下部金属部材６の底部４がベーパーチャンバーの構成を有することで、発熱素子からの熱が底部４全体に速やかに拡散し、放熱効果をさらに向上させることができる。

以上、本発明のヒートシンクについて、いくつかの実施形態を示して説明したが、本発明は上記のヒートシンクに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。

例えば、本発明においては、内部空間は、フィン芯部の下部（底部４側）から上部にわたって連結していればよい。従って、一の態様において、下部金属部材６と上部金属部材７は、端部以外においても接合されていてもよい。下部金属部材６と上部金属部材７の接合箇所を増やすことにより、上部金属部材７の位置ずれを抑制することができる。

上記のように本発明のヒートシンクは、高い放熱性を有するので、発熱素子の冷却に好適に用いることができる。

従って、本発明は、本発明のヒートシンクを備える電子部品をも提供する。

さらに、本発明は、本発明のヒートシンクまたは本発明の電子部品を有する電子機器をも提供する。

一の態様において、上記電子部品は、半導体素子であり得る。

従って、本発明は、好ましい態様において、
配線板１６と、
前記配線板１６の一方主面に実装された半導体素子１７と、
前記半導体素子１７の天面に熱的に接続された本発明のヒートシンクと、
を備える、ヒートシンク付き半導体素子をも提供する。

上記本発明のヒートシンク付き半導体素子におけるヒートシンクは、本発明のヒートシンクであり、図９に示される態様においては、ヒートシンクは、上記ヒートシンク１ａである。

上記配線板としては、通常半導体パッケージ、半導体回路等に用いられる配線板であれば特に限定されず、好ましくはプリント配線基板が用いられる。

上記半導体素子としては、特に限定されず、ＣＰＵ、メモリなどの集積回路が挙げられる。

本発明のヒートシンクと半導体素子の熱的接続は、両者を直接接触させることにより行ってもよく、他の熱伝導性部材、例えばサーマルグリース、はんだ等の金属部材等を介して行ってもよい。ここに、「サーマルグリース」とは、熱伝導性の高い粘性物質であり、例えば変性シリコーンなどに熱伝導性の高い金属または金属酸化物の粒子を分散させたものが用いられる。

本発明は、特に限定されないが、以下の態様を開示する。
１． 面状の底部と前記底部に設けられた複数のフィン芯部とを備えた下部金属部材と、
前記下部金属部材の前記フィン芯部に対して所定間隔で対向配置された上部金属部材と、
前記下部金属部材と前記上部金属部材との間に形成された内部空間と、
前記内部空間内に配置されたウィックと、
前記内部空間に封入された作動媒体と、
を有するヒートシンク。
２． 前記内部空間内に配置された柱を有する、態様１に記載のヒートシンク。
３． 前記下部金属部材は、前記下部金属部材に対向する面に凸部を有し、該凸部は、ウィックとして機能する、態様１または２に記載のヒートシンク。
４． 前記凸部の高さは、前記柱の高さよりも小さく、前記凸部の密度は前記柱の密度よりも大きい、態様３に記載のヒートシンク。
５． 前記上部金属部材は、前記下部金属部材の前記底部に対して、所定間隔で対向配置される、態様１〜４のいずれか１つに記載のヒートシンク。
６． 前記内部空間は、フィン芯部毎に形成されている、態様１〜５のいずれか１つに記載のヒートシンク。
７． 前記底部は、内部空間を有する面状の筐体と、前記内部空間内に配置されたウィックと、前記内部空間内に封入された作動媒体とを有して成る、態様１〜６のいずれか１つに記載のヒートシンク。
８． 配線板と、
前記配線板の一方主面に実装された半導体素子と、
前記半導体素子の天面に熱的に接続された態様１〜７のいずれか１つにヒートシンクと、
を備える、ヒートシンク付き半導体素子。

本発明のヒートシンク集合体は、高い放熱性を有するので、種々の電子機器において好適に用いることができる。

１ａ，１ｂ，１ｃ…ヒートシンク
２…ベース部、３…放熱フィン、４…底部、５…フィン芯部
６…下部金属部材、７…上部金属部材、８…内部空間、９…ウィック
１０…柱、１１…凸部
１２…ウィック、１３…内部空間、１４…柱、１５…凸部
１６…配線板、１７…半導体素子

Claims (8)

1. 面状の底部と前記底部に設けられた複数のフィン芯部とを備えた下部金属部材と、
   前記下部金属部材の前記フィン芯部に対して所定間隔で対向配置された上部金属部材と、
   前記下部金属部材と前記上部金属部材との間に形成された内部空間と、
   前記内部空間内に配置されたウィックと、
   前記内部空間に封入された作動媒体と、
   を有するヒートシンク。
2. 前記内部空間内に配置された柱を有する、請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記下部金属部材は、前記下部金属部材に対向する面に凸部を有し、該凸部は、ウィックとして機能する、請求項１または２に記載のヒートシンク。
4. 前記凸部の高さは、前記柱の高さよりも小さく、前記凸部の密度は前記柱の密度よりも大きい、請求項３に記載のヒートシンク。
5. 前記上部金属部材は、前記下部金属部材の前記底部に対して、所定間隔で対向配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートシンク。
6. 前記内部空間は、フィン芯部毎に形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートシンク。
7. 前記底部は、内部空間を有する面状の筐体と、前記内部空間内に配置されたウィックと、前記内部空間内に封入された作動媒体とを有して成る、請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートシンク。
8. 配線板と、
   前記配線板の一方主面に実装された半導体素子と、
   前記半導体素子の天面に熱的に接続された請求項１〜７のいずれか１項にヒートシンクと、
   を備える、ヒートシンク付き半導体素子。

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